IRENA 전기자동차 기술 요약 보고서(3)

  • 번역/정리 : 박한돌기자
  • 2017-06-15 오전 8:53:42

 

미래 전기자동차 시장 전망

 이것은 매우 도전적인 목표이지만 달성되기만 하면 운송 부문의 재생 가능 에너지 비중을 높이는 중요한 발걸음이 될 것이다. 이 목표 대수를 차종별로 구분하면 승용 또는 LDV(Light-Duty Vehicle)가 1억5천8백만대, 버스 1400만대, 상용차 90만대이다.

전 세계에서 2030년에 1억6천만대가 운행되려면 전기자동차 판매가 지속적으로 그것도 기하급수적으로 증가하여야 하며, 연간 전기자동차 판매대수는 2015년 50만대에서 2030 년에는 약 5천만대로 증가해야 한다. 이는 IEA (International Energy Agency)가 제시한 당해년도 LDV 판매목표인 1억3천8백만대의 약 40%에 해당하는 댓수이다(IEA, 2015). LDV 판매증가는 개발도상국들마다 각기 소득 수준별 자동차 소유율에 따라 상당히 다를 수 있으며, IEA는 좀 낮게 보고 있다. 자동차 공유제도와 동승제도와 같은 새로운 이동성 체계로 승용차 수요가 크게 줄어들 것이다.

그림 12는 연간 5000만대의 EV 판매 목표를 달성하는 여러 가능한 방식 중 일례를 보여주고 있는데, 주요 시장인 OECD 국가와 중국에서 3000만대, 나머지 국가에서 2000만대의 판매목표를 달성하는 것이다. 이 시나리오에서는 주요 시장의 EV 매출이 향후 15 년 동안 연간 30 % 이상 성장하여야 한다. 개발도상국의 경우는 향후 5 ~ 10 년 동안은 EV의 비율에 큰 변화가 없을 것이며 기술비용 감축, 전력망 개선, 탄소 집약도 감소 등에 상당한 기간이 걸릴 것이고, 그 이후에는 2030년까지 연 60% 이상 지속적으로 성장할 것으로 전망된다.

 

이 시나리오에 의하면 연도를 달리하여 전 세계에서 판매되는 총 EV 판매대수의 경우, 2023 년까지 5 백만, 2025 년까지 1,000 만, 2030 년까지 4 천만대를 상회한다.

 

그림 13에서 보듯이 가파른 성장률을 달성하기 위해서는 2020 년에서 2025 년 사이에 "급변점"(tipping point)이 있어야 한나는 것을 보여준다. 즉, 전기자동차가 내연기관 자동차 보다 대중적이 되면서 시장 점유율이 급격히 상승하기 시작하는 시점을 의미한다. 이러한 궤적에서 2030년 시장 점유율이 40 %가 되는 것을 감안하면 전기자동차는 2040년에는 가장 지배적인 차량이 될 것이며 전세계 LDV 판매의 절반 이상을 점유할 것으로 예상된다.

 

그림 14는 세계 주요국들의 전체 전기차 총 누적대수를 보여준다. 이 데이터는 현재의 선도시장에서 초기에는 높은 성장을 하지만 그 이후에는 이전 그림들에서 보았듯이 모든 국가에서 비슷한 성장을 하는 것으로 가정했다.

배터리 및 전기 수요 예측

위에서 논의한 바와 같이, 전기자동차의 저장 용량은 V2G 및 G2V 애플리케이션에 사용될 수 있다. 일단 자동차가 생애를 다한 경우에도 자동차의 배터리는 사용할 수 있는 것이다. 배터리 팩은 그 생애가 일반적으로 8 년에서 10 년이지만, 생애가 지난 후에도 저장할 수 있으며 경우에 따라 그 용량이 최대 80 %까지 가능하다.

이러한 고정 시스템에 저장된 전기는 변동성 재생에너지로부터 전기 공급이 급감하는 경우처럼 사용자가 필요할 때 사용할 수 있으므로 전기 공급의 유연성을 높여준다. 따라서 그리드 통합 비용을 줄이고 매우 비싼 유연성 수단들에 대한 필요도 없애준다.

 

그림 15는 전체 전기자동차의 배터리 저장용량 추정값을 GWh로 나타낸 것이다. 이것은 IRENA의 미래 EV 시나리오와 일치한다.

EV의 평균 배터리 저장용량은 2015년 30kWh에서 2030년에는 60kWh로 높아지고, PHEV는 2015 년 10kWh에서 2030 년에는 30kWh로 높아질 것으로 추정한다. 자동차 판매대수에 대한 예측치를 고려하면 2030년 전 세계에서 경량자동차에 탑재되어 운영되는 배터리 저장용량은 8,000 GWh에 이를 것으로 추정된다.

상당량의 배터리는 2 륜차, 버스 및 트럭과 같은 다른 유형의 전기차에 탑재서 운영될 수 있다.  이 차량들은 각각 매우 다른 배터리 용량을 가지며, 버스와 트럭은 또한 자가용보다 훨씬 장시간 운행하므로 분석이 복잡해져서 이번 추정에는 포함하지 않았다.

지역별 전기자동차의 전체 배터리 용량은 다음과 같은 가정과 함께 총 전기자동차 대수 및 운행거리와 연관되어 있다.

. BEV의 최종용도로서 주행효율(on-road efficiency)은 0.21kWh/km 부터이고, PHEV는 (전기구동 시) 0.27kWh/km 부터라고 가정한다. 각각은 2030년까지 신차와 사용 중인 차 모두에서 충분히 달성 가능한 수치인 연간 1% 성능향상이 가능하다.

. BEV는 연평균 12,000km를 전기로 이동하지만, PHEV는 연평균 7,000km를 전기로 이동한다(액체연료로 매우 긴 거리를 추가로 이동). 2030 년까지 총 주행 거리는 두 유형 모두 각각 15,000km와 12,000km로 증가한다.

 

그림 16은 BEV와 PHEV에 대한 지역별 연간 전기 수요를 연도별로 나타낸 것이다. 총 전기 수요는 연간 약 450 TWh에 도달하며, 이 수치는 IRENA의 2030년 예상 세계 발전량의 약 1.5%를 차지한다.

EV와 VRE : 환경영향 저감을 위한 결합

EV는 여러 가지 중요한 환경적 이점을 가지고 있다. 대부분의 운송 활동이 이루어지는 도시 지역에서는 대기 오염에 운송이 주는 영향이 심각하다. EV는 대기 오염 물질을 방출하지 않는다. 심각한 공기 품질 문제가 있는 도시에서는 EV(개인 및 공공 운송용 모두)를 도입해야 하며, 내연기관 차량을 EV로 대체할 수 있다. 최근 여러 유럽국가들과 도시들이 내연기관 또는 디젤과 같은 일부 유형의 내연기관에 대한 금지령을 발표했다(Pedestrian Observations, 2016). 동일한 운송 서비스를 제공하기 위해 도시는 EV의 비중을 높이거나 트램, 버스 등과 같은 다른 유형의 전기 운송으로 전환할 계획을 가지고 있다(Automotive News Europe, 2016).

전기자동차는 주행 중에는 배출가스를 방출하지 않지만 소비하는 전기는 대기 오염 물질 또는 CO2를 배출하는 화석 연료에서 나올 수 있다. 그러므로 CO2 배출량을 재래식 차량과 비교할 때 배출량을 ‘well-to-wheel‘(유전에서 자동차) 기반으로 고려해야 한다. well-to-wheel 배출량은 EV의 효율성과 발전량의 연료 혼합에 따라 크게 달라지며, 이것은 국가 간에도 큰 차이가 있다.

 

그림 17은 여러 가지 CO2 집약도 범위에서 "적당한 효율"과 "고효율"의 경우에 대해 BEV의 CO2 집약도를 내연기관 차량의 CO2 배출량과 비교한 것이다. 그림에서 보듯이 600g/kWh 이하의 CO2 배출량으로 전기를 생산하면 BEV는 ‘적당한 효율’을 가지더라도 효율이 좋은 LDV보다 CO2를 더 감축할 수 있다. 그러나 오늘날의 최상의 차량(예: 100g CO2/km 미만을 달성할 수 있는 유럽 또는 일본의 소형 하이브리드)과 비교해 볼 때 ‘적당한 효율’의 BEV는 CO2 배출계수 400g/kWh 미만의 전기로 구동되어야 한다.

전기의 탄소집약도가 600g CO2/kWh 미만인 경우 매우 효율적인(아주 작은 크기) BEV는 오늘날 최고의 내연기관 자동차를 능가한다. 2030 년까지 내연기관 자동차 배출 가스는 적어도 유럽위원회에서 정한 2025년 표준 (68-78 g CO2/km (ICCT, 2016))을 고려할 때 80g CO2/km 미만으로 떨어질 것이다. 따라서 평균 효율 수준의 BEV가 상당한 이점을 갖기 위해서는 철저하게 탈탄소화 해야 한다. 물론 이 탈탄소화는 BEV가 궁극적으로 목표로 하고 있는 CO2 배출 제로 성능을 제공하는데 필요하다.

특히 그림 17은 테스트된 효율을 사용하는데 이 값은 실제 사용 중인 성능보다 최대 50 % 향상될 수 있다. 이는 전기자동차에는 물론 내연기관 자동차에도 적용되며, 현실 세계에서 다양한 차량이 어떻게 작동하는지를 더 잘 이해하려면 더 많은 연구가 필요하다. 마지막으로 플러그인 하이브리드 자동차는 전기와 액체 연료를 모두 사용하기 때문에 이와 같이 수치로 나타내기가 쉽지 않다. 잘 설계된 PHEV는 하이브리드 자동차 CO2 및 효율적인 BEV CO2 수준에 가까운 성능을 가질 수 있다.


 

그림 18은 IRENA의 REmap 조사결과 (IRENA, 2016a)에 따른 모든 국가의 관점에서 동일한 관계를 보여준다. 2030년까지 국가들은 전체 발전 믹스에서 신재생 에너지의 점유율을 크게 높여야 하는데, 이를 그림의 x- 축으로 나타냈다. 발전 믹스에서 재생에너지의 비율이 높을수록 생성된 전기의 kWh 당 CO2 배출량은 감소하고 well-to-wheel의  CO2 배출량도 낮아진다. 예를 들어 콜롬비아 또는 덴마크에서 재생에너지 비중이 약 80 % 인 전기자동차의 g CO2 배출량은 30g CO2/passenger-km 범위이다.

이에 비해  전력 믹스에서 석탄의 비중이 높은 카자흐스탄이나 폴란드와 같은 국가의 well-to-vehicle 배출량은 효율이 좋은 석유 차량 수준에 가까운 100g CO2/passenger-km 수준이다. 이것은 발전소 유래의 공기오염물질을 고려할 때에도 유사하게 적용된다. 따라서 전기자동차의 환경적 이점을 높이기 위해서는 재생에너지에 의한 발전량을 높여야 한다.

도시에서 대기 오염 감축의 필요성은 이 부문에서 재생에너지를 필요로 하는 주요 동인이 될 것이다. 사용되는 모든 에너지 중 운송이 차지하는 비율은 전 세계적으로 30 %이지만 인구 밀도, 소득 수준 및 기상과 같은 조건에 따라 국가 및 지역 간에 달라진다. 소득수준이 중간정도인 급성장하는 도시에서 운송 부문은 도시의 에너지 수요의 50 % 이상을 차지하며 도로 운송이 가장 큰 구성 요소이다. 따라서 이들 지역에서 대기 오염에 가장 큰 영향을 미치는 것은 운송 부문이다. 전기자동차의 장점으로는 지역 대기 오염이 적다는 것과,  발전 믹스에 따라 CO2 배출량이 적다는 것이다.

이 모든 전기자동차가 100 % 재생 가능 전기를 소비한다고 가정하면 2030 년에는 연간 480 TWh 재생에너지가 추가로 필요하다 (전세계 전기 생산량의 약 1.5 %). 운송에 소요되는 총 에너지 수요에서 전기의 비중은 2013 년에서 2030 년까지 1 %에서 4 %로 증가할 것이다. 전기자동차는 또한 도시의 소음 공해를 줄일 수 있다. 많은 도시에서 교통 시스템의 소음 공해가 55 데시벨 (dB)을 초과할 수 있는데, 이 수치는 세계보건기구 (WHO)에 의하면 건강 위험을 초래할 수 있다. 전기자동차는 내연기관 자동차보다 훨씬 조용할 수 있으며, 대부분은 거의 21dB에서 작동한다.

재료 요구 사항

전기자동차는 기존의 내연 기관 차량에 필요한 것에 추가하여 모터자석용 희토류 금속과 리튬이온 배터리용 리튬 등 몇 가지 재료가 필요하다. 이러한 재료를 공급하는 것, 그리고 자원의 가용성과 관련된 리스크는 매우 중요한 문제이다. 특히 EV의 판매 및 누적대수가 단 몇 년 동안에 급속히 증가하는 시나리오에서는 특히 중요한 문제인데, 이것은 2030 년까지 1 억 6000 만대의 전기자동차를 보급하는 REmap 시나리오에서 직면할 수 있다. 이 시나리오에서 필요한 리튬의 양을 간단히 고찰해보기로 한다.

리튬은 염수호소퇴적물과 페그마타이트에서 결정질 오크의 형태로 생산된다. 이중에서 염수는 전세계 리튬 생산량의 약 60 %를 차지한다. 에너지 수요뿐 아니라 통신 및 기타 부문에서도 신기술 도입으로 리튬 수요는 지난 몇 년 동안 기하급수적으로 증가했다. 오늘날 배터리는 전체 리튬 수요의 약 20 %를 차지한다. 이 부문은 EV 판매가 리튬 (IRENA, 2016b)에 대한 수요를 촉발하면 더욱 높은 비중을 차지할 것으로 예상된다.

앞에서 살펴본 바와 같이, 최근의 EV 모델은 일반적으로 배터리 용량이 약 30 kWh이다. 이 수치는 꾸준히 상승하여 2030년에는 평균 60kWh에 도달할 것으로 예상된다. 이들 배터리는 유형에 따라 2-13kg의 순수한 리튬을 포함하고 있다. REmap (2, 3 및 4 륜차를 포함한 모든 유형)에 따른 EV의 증가를 기반으로 사용 중인 총 배터리 용량은 현재와 2030 년 사이에 연평균 500 GWh씩 증가 할 것이다(시작은 이 수치보다 현저히 낮지만 시간이 지나면서 높아져 2030 년에는 이 수치를 훨씬 초과).

이 평균값은 순수리튬 수요량으로 연간 75-200 kt, 그리고 리튬 카보네이트 기준으로는 연간 200kt, 368k1-1100kt에 해당한다. 이는 현재 모든 응용 분야에서 필요로 하는 총 리튬 생산량의 3 배를 상회하는데, 이는 다른 응용 분야에서도 리튬 수요가 증가할 것이므로 자원 제약이 있음을 의미한다. 이런 제약은 자동차 판매량이 연간 수백만대에 이르는 2020 년 또는 2025 년 이후에 특히 심하될 것이다(IRENA, 2016b).

미래의 EV 목표 달성 : 기술 및 정책 측면

전기자동차의 시장 점유율을 크게 높이기 위해서는 현재 진행되고 있는 기술적 진보와 전기자동차의 보급을 위한 정부의 여러 가지 조치와 계획과는 별도로 여러 시장에서 전통적인 내연기관 자동차와 경쟁할 수 있어야 하며, 또한 그 시장 안의 다양한 범위의 수요자들에게 경쟁력이 있어야 한다(Fulton, Tal and Turrentine, 2016).

전세계의 모든 전기자동차 거점 시장에서 정책 입안자는 구매자가 이 새로운 기술을 시험하도록 하는 일련의 인센티브를 시행했다. 주요 목표는 필요한 재충전 인프라를 제공하고, 차량의 구매 비용을 줄이고, 지속적으로 전기자동차로 전환함으로써 경량자동차 시장에서의 낮은 점유율을 높이기 위한 여러 가지 인센티브를 제공하는 것이다.

대부분의 국가에서 이러한 인센티브에에는 "일몰"조항이 들어있다. 그러나 보조금이 없이도 첫 구매 비용이 기존 차량과 같아질 때까지 수년 동안 어떤 종류의 인센티브가 필요할 수도 있다는 인식이 늘고 있다. 여러 국가에서 시행하고 있듯이 내연기관 자동차에 높은 세금을 부과하는 것도 인센티브가 될 수 있다. 내연기관 자동차에 높은 세금을 부과하고 있는 노르웨이는 전기자동차의 시장 점유율도 세계에서 가장 높다.

 

핀란드는 이를 따라잡기 위해 2030 년까지 25만대의 전기자동차와 단 5만대의 내연기관 자동차를 목료로 하고 있다. 이를 달성하기 위해 핀란드는 국민들이 전기차를 구매하는 것을 장려하기 위해 첫 2만5천대의 전기자동차 판매분에 대해 4,000유로으 l보조금을 지급하고 가솔린 자동차에 대해서는 2030년까지 30%의 세금을 올리는 것을 목표로 하고 있다. 또한 EV 기술은 인프라 용량 및 소비자 인지도 제고와 함께 급속하게 발전할 것이기 때문에 이러한 인센티브는 노르웨이의 경우처럼 EV 시장 점유율을 높일 것이다.

또 다른 접근법은 캘리포니아의 경우처럼 자동차 제조사에게  온실가스 배출이 없는 자동차 판매 비율을 의무화하는 것이다(2017년부터 2025년까지 그 의무 비율을 15 %까지 높임). 최근에는 중국이 크레딧 포인트 시스템을 적용한다는 계획을 발표했는데, 이에 의하면 2018 년 현재 중국에서 판매되는 경량자동차의 8 %에 해당하는 EV 판매 크레딧을 달성해야 한다(2016 년 Der Spiegel). 이로 인해 중국의 전기자동차 판매는 캘리포니아의 프로그램보다 훨씬 더 가파르게 증가하게 될 것이다.

정책 패키지에는 일반적으로 국가, 지방, 지역 인센티브가 포함된다. 국가 인센티브에는 일반적으로 구매 비용을 줄이기 위한 세금 공제와 같은 보조금이 포함된다. 지방(주, 지방) 인센티브에는 세금 및 등록 감면이 포함되며 경우에 따라 판매 시점에서 감면도 포함된다. 지역 인센티브에는 때때로 고속도로의 특별차선에 대한 배타적인 접근 또는 고속도로나는 페리의 통행료 감면과 같은 도로 시스템 특권이 포함된다. 지방(대도시) 규정은 전기자동차에 대한 이러한 이점을 포함할 수도 있으며, 주차 및 충전시 특별가 또는 할인가 적용, 혼잡 한 도심 지역 및 버스 차선과 같은 도로에 대한 특별 이용 허용도 포함될 수 있다.

인센티브 정책과 그 다양성에 대한 목록은 너무 많아서 여기서 전부 다룰 수는 없지만, 중국 상하이, 노르웨이 오슬로, 미국의 새너제이 등 3 개의 성공적인 도시 (해당 도시의 전기자동차에 영향을 미치는 지역 및 국가 정책 포함)에 대해 비교한 데이터를 표 2에 정리하였다. 이러한 다양한 도시와 국가들 사이의 정책 요소들의 상대적인 중요성을 알기는 어렵다. 노르웨이에서는 일부 값 비싼 EV 모델의 경우 국가 세액 공제금액이 USD30,000를 상회하므로 다른 내연기관 차량에 대해 가격 차이를 상쇄 할 수 있다. 특히, 상하이의 자동차 경매 시스템은 차량당 미화 10000 달러 이상의 가치가 있을 수 있는 EV에 대해 세금을 면제해주고 있다. 미국(특히 새너제이가 있는 캘리포니아)의 EV 보조금은 일반적으로 USD7,500를 초과하지 않는다.

 

이 도시들과 국가들의 예에서 나타난 높은 수준의 구매 인센티브와 별개로 성공적인 도시와 국가의 경험에서 얻은 주요 시사점들은 다음과 같다 :

. 노르웨이나 미국 캘리포니아와 같이 비교적 높은 소비 지출을 보이는 시장에서는 보급을 더욱 확대하여 전기자동차 생산을 늘리고 비용을 낮추면 소득 수준이 낮은 국가에서 전기자동차를 공급할 수 있게 된다. 또 어떤 국가든 CO2 배출이 높은 자동차에는 세금을 부과하고, 이를 CO2 배출이 낮은 모델들에 인센티브로 지급할 수 있다.

. 정책 패키지는 전기자동차 구매 뿐만 아니라 전기구동에 의한 주행을 장려할 수 있다. 특히 인센티브를 제공하여 PHEV에 대해 주행을 전기모드로 하도록 장려할 수 있다. 이것은 석유 연료 가격을 높이는 방식으로도 가능하지만, 전기 km를 내연기관 기반 km와 구분하여 추적할 수 있으면 전기 km에 대한 요금을 내연기관에 의한 주행 km보다 낮게 부과함으로써 인센티브를 제공할 수 있다.

. 가격 조치와 규제를 인프라 개발을 위한 직접적인 정부 지원과 결합하면 잘 작동할 것으로 기대된다.

. 운송 관련 에너지 사용의 체계적인 전환을 목표로 하는 국가는 전기자동차 판매를 촉진하기 위한 정책이 필요하다. 이 정책에는 전기자동차에 대한 경험과 국내 전기자동차 데모를 시작하는 것, 그리고 전기자동차 수가 증가하면 운송 및 전기 분야에 어떤 영향을 미치는지에 대한 이해도 포함된다.

. 저탄소 발전은 EV와 동일한 비율로 확대되어야 한다.

. 공공 충전 시설은 중요하지만 급속 충전은 초기 단계에서 지나치게 강조될 필요는 없다. 민간 및 공공 충전의 대부분은 급속충전 없이 적절히 이행될 수 있다. 그러나 개인 충전을 할 수 없는 가정의 경우 공공 충전이 훨씬 더 중요해지는데, 그러한 가정의 요구는 여전히 ??잘 이해되지 않고 있다.


결론적으로, 지속적인 기술 개선, 강력한 정책 인센티브, 적절한 충전 인프라 및 EV에 대한 높은 수준의 대중의 인식 및 경험이 모두 필요하다. 2016 년 IRENA의 REmap 분석에 따르면 2030 년에는 1 억 6 천만의 EV 목표를 달성하는 데에 있어 이러한 모든 요소가 필수적이다.

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